江天生

    男，清华大学工商管理硕士，霍尼韦尔（中国）有限公司中国区无线产品业务经理，研究方向为无线技术在工业领域的应用和技术特点，以及无线国际标准。



    摘  要：本文详细阐述了霍尼韦尔公司OneWireless无线解决方案的网络架构，一个无线平台支持多种无线应用和多种通讯协议的现场仪表的特点，以及同DCS控制系统的数据集成。

    关键词：无线主干网络；OneWireless；多功能无线网络架构； 解决方案；ISA100； Wireless HART

    Abstract: This paper mainly focuses on the multifunctional wireless network structure and the advantages of one structure that supports multi protocol wireless instruments of Honeywell’s OneWireless Solution. The integration with DCS system is also mentioned as well.
Key words: Mesh Wireless Network; OneWireless; Multifunctional Wireless Network; Wireless Solution; ISA100; Wireless HART

1 工业无线潜在的应用场合

    在过程控制行业，实现对全厂的监测和控制，通常采用有线的方式，采集过程数据。但是，我们经常会遇到电缆和接线带来的许多问题，如对分散测点的数据采集时，敷设电缆和桥架非常困难，如何低成本和经济地实现监控就是非常困难的问题；如转窑和转炉等旋转的设备如何有效监测？改造项目如何快速实施、没有供电的区域如何实现过程数据的测量？远程区域的有效监测如何实现？归纳起来，传统的、有线的方式有如下不足之处：

    （1）工程实施较为麻烦：分散的测点、旋转的测点、移动的测点、被道路河流铁路等分隔的测点；现有桥架和电缆沟已经接近满负荷的测点，没有供电的测点、需要快速增加测点的场合，敷设电缆、安装桥架和保护管较为麻烦；

    （2）现场施工时间和调试时间较长：有线方案时，需要敷设电缆、桥架、保护管等，需要大量的安装时间和调试时间；

    （3）安装成本较高：需要支持有线连接的相关安装材料和人工；

    （4）维护费用较高：需要维护支持有线连接的相关设备和线缆；

    （5）不支持现场移动作业：需多次从现场往返控制室，以获取控制系统过程信息；

    （6）现场和控制室需要支持有线方案的基础设施，现场布置较为复杂；

    （7）系统未来扩展较不方便。

    如果采用无线的方式，那么上述的困难就可以轻易地解决了。事实也证明无线技术可以更方便、更经济地改进工厂的管理和控制水平。工业无线解决方案的优势有：

    （1）工程实施简单、便捷：无需敷设电缆、桥架、保护管；无需卡件、机柜；无需担心铁路造成的困难；无线网络自组织、自愈合，高度智能；

    （2）节省大量安装和调试时间：快速安装，仅需在测点安装无线变送器即可；

    （3）节省大量的安装成本：无需敷设电缆、桥架、保护管、卡件、机柜、安全栅，节省相关的安装人工费用；

    （4）后期维护费用很低：维护方便，只需维护无线变送器本身即可，无需担心接线进水、连接松动、电缆损坏；

    （5）移动工作站，支持现场无线、移动作业；

    （6）控制室和现场布置更为简洁：无接线盒、安全栅、I/O卡件、降低DCS负荷、减少维护工作量和减少故障点；

    （7）无线网络扩展非常方便：增加测点时，直接安装无线变送器即可，更换容易、即插即用、灵活，未来改造可以有效利用现有无线设备；

    （8）符合开放的国际工业无线标准，支持互操和兼容，有效保护现有投资。

    基于上述相对于有线方式，工业无线所带来的优势，工业无线应用在下列流程控制领域的场合，非常合适。可以想象，有线和无线的解决方案共同服务于工厂的各个场合，然后同DCS控制系统无缝式数据集成，实现对工厂关键设备和辅助设备更加安全、高效的数据采集和监测控制。这些适合工业无线应用的典型场合有：

    （1）分散的测点：用于高位置、交叉路口、电缆难以敷设的地方，例如塔、罐等；用于测点分散、被铁路、围墙等分割的地方，无需敷设桥架、电缆和接线。

    （2）用于安装和维护危险的区域：没有电缆和接线，减少产生火花的可能；无需因为电缆维护而进入危险场所。

    （3）移动的测点、临时测点、旋转的测点、没有电源供应的测点。

    （4）更多的设备诊断数据，用于过程优化和控制、工艺改进。

     ·  获取更多的预测性的状态监测的区域，如轴振动，润滑油温度、过滤器压差；

     ·  收集更多的机械设备的在线数据，减少离线数据采集：泵振动、转速等状态监测、手动阀门阀位采集；

     ·  收集大范围分布式的数据，例如洗眼器、电伴热、环境大气监测；

     ·  关键设备的辅助信息监控，例如阀门跳闸后的位置。

    （5）现场移动作业的需要。

    （6）工厂安全、泄露排放、火灾，更好的环境监测 、更快的事故反应能力：可燃气体监测、无线视频、无线拍照、无线开关量变送器；用于采样、泄漏数据监控。

    （7）罐区储罐溢流或储备状况：无线雷达液位计，监测实时液位。

    （8）改造项目时：电缆桥架负荷已满、不想破坏现场现有环境、机柜卡件和机柜已满、控制室空间有限等；安装时间紧等等。

2 霍尼韦尔无线解决方案

    霍尼韦尔公司是把工业无线技术应用于过程控制的领先者，全球第一个提供工业无线解决方案的DCS供应商，全球第一个在业内推出工业无线变送器，全球第一个推出能够应用于控制的无线冗余网关。自2003年，受美国能源部委托研发应用于工业领域的无线技术以来，已经获得300余项工业无线专利以及正在申请的专利。霍尼韦尔的无线产品符合ISA100工业无线国际标准，支持无线设备的免费在线软件升级以符合最新的ISA100标准，能够有效保护用户的投资。

    霍尼韦尔OneWireless无线解决方案，是由多功能节点（Multinode）构建一个通讯速度非常快的无线Mesh主干网络，现场无线变送器可以自动选择与任何一个多功能节点进行无线通讯。整个无线网络自组织、自愈合、冗余网关的设计、没有单点故障，同时采用了2.4GHz ISM频段DSSS跳频通讯，确保无线通讯能够达到工业等级的可靠性和安全。

                    

    无线主干网络的通讯速度最快可达54Mbps，现场无线变送器的通讯速度250Kbps，由于主干网络的强大功能，无线变送器只需要一跳“Hop”就可以把数据包传输到通讯速度非常快的主干网上，因此无线通讯时间的滞后非常短、支持无线变送器更快的刷新速度，如1秒、5秒、10秒、30秒等。未来可以支持无线变送器250毫秒的刷新速度。

    无线主干网最多可以由40个多功能节点构成，每个多功能节点都可以同时做为网关有线接入控制系统，采用标准通讯协议 Modbus TCP / IP、OPC、Modbus RTU （RS485）等。如果同霍尼韦尔Experion控制系统进行数据集成，则还可以采用完全一体化的CDA通讯方式，无线网关（多功能节点）可以直接同Experion控制系统的C300控制器、Server等点对点、对等通讯。每个无线网关都可以冗余配置。每个多功能节点都可以带400台无线变送器（30秒刷新时）或100台无线变送器（5秒刷新时）或20台无线变送器（1秒刷新时）。因此无线主干网络的规模非常灵活，可以带数以千、万台的无线仪表。

    无线主干网覆盖的范围非常大，可以覆盖全厂数十公里厂区。多功能节点之间的无线通讯距离为1公里延伸或10公里延伸（选型高增益天线时）；现场仪表同任何一个多功能节点之间的通讯距离为305米、610米或3公里（选型高增益天线时）。

    无线主干网络支持多种应用，多功能节点不仅支持同无线变送器的无线通讯，如3通道无线温度变送器、无线压力变送器（绝压、表压、差压）、3通道无线开关量输入变送器（3个DI或 1个TC + 2 DI）；3通道无线模拟量输入变送器（3个AI或1AI+2个TC、DI的组合）；3通道无线开关量输出变送器（1个DO+2个AI、TC、DI的组合）；无线腐蚀变送器；无线阀门定位器（测量阀门的实时开度）；无线雷达液位计（Honeywell Enraf）等等，而且同时支持无线振动监视、移动工作站、无线视频监视、无线读表器、无线通话等等。无线主干网络还可以同时支持现场Ethernet设备的无线转接，这些第3方设备直接有线接入多功能节点进入无线网络或配置无线转接模块，然后同多功能节点无线通讯。

    无线主干网络支持多种通讯协议的现场仪表，而不会局限于某种单一的通讯协议。ISA100工业无线标准规定，无线网络同时支持4~20mA、HART、Modbus、Profibus等多种通讯协议的现场仪表。

    无线主干网络的特殊设计能够应用在屏蔽的区域。多功能节点既可以无线延伸，也可以有线互联。在屏蔽区域的应用场合时，只需要把屏蔽区域里的某个多功能节点和屏蔽区域与之外某个多功能节点有线互联，那么屏蔽区域里面的无线网络和屏蔽区域之外的无线网络就是一个无线网络了。

    配置一个无线管理平台，可视化管理现场无线网络、支持对无线网络的诊断和维护；支持对现场无线变送器的在线远程组态、负责统一管理整个网络的安全；运行人员通过这一个平台即可管理这个支持全厂多种应用和多种通讯协议现场仪表的无线网络。当同霍尼韦尔Experion控制系统数据集成时，这个无线管理平台的所有功能都完全一体化集成在控制系统的Control Builder中。

3 霍尼韦尔无线解决方案的优势

    霍尼韦尔OneWireless无线解决方案通过多功能节点构建的快速无线mesh主干网络，支持全厂多种无线应用，通用、简单、高效。OneWireless无线网络通讯时间滞后短、通讯速度快、无线仪表自恢复速度快、网关冗余设计，支持在控制上的应用。优势如下：

    （1）通用性：多功能的网络，既支持无线传感器网络，也支持802.11 WiFi无线通讯设备，统一的通讯管理、安全管理和设备管理，使得网络管理更简单。OneWireless一个平台支持的多种应用包括：安全视频监视、支持流动作业、移动设备即时定位、管道腐蚀监测、设备状态诊断等等，而不仅仅是过程参数如压力、温度、流量的测量。

     OneWireless支持开放的多种通讯协议：一个平台支持现场仪表的通讯协议有HART，Modbus，FF，4~20mA等，而不仅仅支持HART。这既保证符合开放的标准，也同时保护用户的投资，为用户带来价值。

    （2）简单性：OneWireless无线解决方案简单易用，只需要一个网络平台，即可支持全厂的无线应用，管理整个网络的安全通讯；无线仪表的电池供电也非常简单，配置了安全、持久的电源管理，1秒刷新时电池寿命为4.5年；5秒刷新时为10年，具有电源智能预测、报警管理；端对端的安全管理也非常简单，同时确保无线网络工业等级的安全通讯。

    OneWireless同控制系统的集成完全是标准化的通讯接口：Modbus TCP 、Modbus RTU、OPC等，实现无线世界同有线世界的无缝式数据集成。

    （3）可靠性：OneWireless可靠、功能强大的 “mesh” 主干网，和冗余的现场设备通讯网络确保网络通讯可靠，几乎适应所有的干扰环境，能同其它无线网络友好共存；优化的跳频通讯，使得效率更高，更加可靠 ，智能化的网络，自组织、自愈合、自动重新组态，无需人工介入。端对端的、工业等级的安全措施可以保证通讯的安全。从仪表到网关的冗余的数据通讯路径，可以消除系统单点故障。目前快速的1秒的网络刷新速度支持快速的监测和开环控制。具有网络传输时间滞后管理的网络通讯技术支持在控制的应用。

    （4）高效性：OneWireless无线解决方案，优化的跳频技术，优化使用宝贵的无线通讯带宽资源，并确保通讯可靠；一个平台实现更多的无线应用，易于管理，综合优化工厂生产效率和可靠性、提高安全水平，以及优化工厂污染排放。

    OneWireless规模扩展灵活，只有一个架构需要实施，不需要复杂的现场勘测，统一的安全措施管理整个架构的所有设备和应用的安全；它符合开放的标准，支持同第三方的符合ISA100标准产品通讯、互相操作、兼容，充分保护用户的投资。无线方案能节省大量的安装成本，能以无线的方式在最短的时间内、以最方便的方式、以最低的成本，把过程数据集成到现有控制系统和高级应用中。

    OneWireless无线解决方案的通用性、简单性和高效性，意味着只需最低的启动成本即可采用无线技术方案，而且，正是由于这个支持全厂所有应用的无线网络规模扩展灵活、开放互操和容易升级，使得每一次投资都会在未来保值，从而降低了长期的投资总成本。

4 总结
 
    霍尼韦尔的OneWireless无线解决方案符合开放的ISA 100工业无线标准，实现一个无线网络架构同时支持多种通讯协议和多种应用，并通过开放的标准通讯接口实现同控制系统的无缝式数据集成。由多功能节点搭建的无线主干mesh网络，自组织、自愈合，通讯速度快；多功能节点之间的通讯距离远。多功能节点也可以有线mesh，这种独特的设计支持在屏蔽区域的无线应用。任何一个多功能节点都可以作为网关同DCS控制系统有线连接进行数据集成。网关可以冗余配置，避免无线网络的单点故障。

    OneWireless无线方案，安全可靠、端对端的、时间滞后管理的通讯，支持应用在监测、开环控制、闭环控制等场合，能够解决有线方式所不能解决的问题，实现工业无线和传统有线方式在工厂的完美共存。



                                                          源自：《自动化博览》